目前大部分的家用電器及辦公設備并沒有實現真正的節能，待機狀態下的功耗問題日益嚴重，由此帶來的浪費極大。而且，隨著電器的增多，負載功率不斷增大，導致許多插座在過流、過壓等情況下，不能實現自動保護，甚至引起火災。因此，能夠通過檢測負載功率的大小來保護電器并輕松測量和判斷電器能耗參數、實現節能環保的智能插座，其市場需求越來越大，尤其是目前已經率先受到海外市場的青睞。
本文介紹的智能節能插座完整設計方案基于單相多功能計量芯片CSE7780，該芯片是國內首款完全符合國網新標準且動態范圍達2000:1的產品，能夠測量電壓有效值、電流有效值、平均有功功率等各種電氣參數。該芯片采用芯海科技成熟的3 路Σ-△技術，可分別用于相線電流采樣、零線電流采樣以及電壓采樣。基于CSE7780設計的智能插座能夠通過檢測負載功率的大小來實現對用電器使用功耗的監測。
智能插座系統設計
本設計由計量模塊、顯示模塊和控制模塊三部分組成(見圖1)，本文將對關鍵的計量模塊設計進行重點講述。
圖1：基于CSE7780智能插座系統框圖。
1、計量功能設計
本系統采用的是CSE7780，該芯片能夠提供有功功率、有功能量、電流有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等功能，提供全數字增益、相位、偏置電流校準，有功能量脈沖從PF管腳輸出。此外，CSE7780提供一個SPI串行接口，可以與外部MCU進行通信，而且內部具有電源監控電路，可以保障芯片的正常作。
如圖2所示，本系統計量包括電流、電壓采樣兩部分。
(1) 電流信號采樣
電流采樣電路中，電流流經錳銅分流器時會在計量芯片的電流采樣通道上產生一個壓降，不同的電流信號在分流器上形成的壓降不同，計量芯片通過采集在分流器上形成的電壓信號，從而實現了對電流信號的采集。
(2) 電壓信采樣
電壓采樣通常是采集的是零線上的信號，由于電壓信號較大，本系統設計直接通過電阻網絡降壓的方式實現對電壓信號的采樣。
圖2：基于CSE7780智能插座的計量電路。
2、顯示模塊設計
本系統設計方案的顯示部分采用的液晶驅動控制芯片為HT1621，該液晶驅動能夠4*32的液晶段碼，完全能夠滿足顯示驅動的要求，可顯示電量、電壓有效值、電流有效值、有功功率等信息。
3、電源模塊
從產品的空間因素方面考慮，本系統設計的電源采用了非隔離電源，該電源電路能夠提供大約60mA的電流。
1、電參數的計算
以設計一塊額定電壓220V(Un)、10 (60) A電流規格、常數1600imp/KWh插座為例，由于電流輸入通道允許輸入最大信號為±700mV的峰峰值(有效值為495mVrms)，10(60)A的表考慮到通道A發熱的情況，可選擇200~250μΩ的錳銅，若以250μΩ的錳銅來采樣，在Imax=60A時，通道A的采樣信號為60A*250μΩ=15mV。由于電流通道A的允許最大輸入信號為495mV，因此電流通道的增益選擇可配置成16，通道B采用2500:1的互感器；負載電阻10Ω，電流通道B增益設置為1。電壓通道允許最大輸入信號為±700mV的峰峰值，考慮到電壓會有130%Un過壓，可將電壓采樣信號通過網絡電阻將220V交流電壓信號降至220mV左右，電壓通道增益選擇為1。
通過上述的論述，我們需將電流通道A的增益設置為16，電壓通道的增益設置為1，因此SYSCON寄存器應設置為0080H。
CSE7780寄存器的配置流程如圖3所示。
圖3：CSE7780寄存器的參數配置流程圖。
2、HFConst寄存器的設置
常數EC為1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=10A*0.00025Ω*16=40mV；EC=1600；Un=220V；
Ib=10A。根據公式HFConst= INT[39.3143*Vu*Vi*10^11/(EC*Un*Ib)]可得HFConst=2664H，因此寫入HFConst寄存器的值應為2664H。
3、其他計量控制寄存器配置
啟動電流的配置。在Un、Ib的情況下，有功功率寄存器PowerA的數值為1A375D7H，按照要求在0.4%Ib的情況下能夠正常啟動，則Pstar寄存器可配置為0.2%Ib有功功率對應的數值Pstar=00D6H(Pstart對應的是PowerA的高24位，計算出的Pstart是16’h00D6)。
能量累加模式的配置。由于需要計量正反有功能量，因此我們須將能量累加模式配置成正反向功率都參與累加，累加方式是代數和方式，負功率有REVQ符號指示，使能PF脈沖輸出及有功電能寄存器累加，即可將EMUCON配置為0001H。
4、校表寄存器的配置
(1) 有功校正
a、功率增益校正
在輸入信號為Un、Ib的情況下，從校表臺獲得通道A的誤差為err，則公式1。如果Pgain>=0，則GPQA=INT[Pgain*2^15]，反之若Pgain<0,則GPQA=INT[2^16 +Pgain*2^15]。
通道B的功率校準可通過配置GPQB來實現，方法與校正通道A的相同。
b、相位校正
在PF=0.5L，輸入信號為100%Un、100% Ib的情況下，從校表臺上獲得的誤差為err，則相位誤差補償為公式2，對50Hz的電網而言，PHSA有0.02^0/LSB的關系，則：如果θ>=0，PHSA =INT(θ/0.02^0)；如果θ<0，PHSA =INT(2^8+θ/0.02)-96。
通道B的相位校正可通過配置PHSB來實現，方法與校正通道A的相同。
c、有功偏置電流校正
在小信號1.0的情況下，如果小信號偏差較大，可通過調整有功功率偏置電流校正寄存器來修正小信號的偏差。在PF=1.0，Vu=Un，Vi=0的情況下，等待DPUDIF的更新，通過MCU取PowerA的值，讀取若干次去平均值，取平均值的補碼的后4位寫入APOSA校正寄存器。
通道B的有功偏置電流校正可通過配置APOSB來實現，方法與校正通道A的相同。
(2) 電壓、電流計算
有效值的校正流程是先校正電流的偏置電流，校正偏置電流后，再進行電流轉換系數KIA及電壓轉換系數KU的計算，在PF=1.0、100%Un、Ib的情況下讀取IARMS寄存器的數值，根據公式KIA=IARMS/Ib可得到電流通道A的轉換系數，按同樣的方法可得電壓通道的轉換系數KU。
圖4：基于CSE7780的智能節能插座系統主程序流程圖。
本文小結
基于CSE7780的智能節能插座目前已經獲得多家企業的成功批量應用。該節能插座經過測試，其系統顯示出良好的控制效果，能夠靈敏地檢測到負載是否過載及待機的狀態，有效保護電器的安全，受到此類產品制造商的青睞，并開始批量銷往海外。